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Porfirine : i Colori della Vita

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Le porfirine (dal greco porphyrá – porpora), sono una classe di composti chimici la cui molecola è caratterizzata da uno scheletro eterociclico costituito da quattro molecole di pirrolo unite tramite i ponti metinici nella posizione alfa. La struttura dell’anello porfirinico è aromatica, con un totale di 26 elettroni nel sistema coniugato. Una conseguenza del grande sistema coniugato è che le molecole di porfirina hanno tipicamente  bande di assorbimento molto intense nella regione del visibile e possono essere intensamente colorate.

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Nella figura a lato è presentata la struttura della porfina, la porfirina più semplice.

Sono importanti sia in natura, per i vari ruoli che ricoprono negli organismi vegetali ed animali, che nell’ambito industriale e medico. Quelle naturali, come la clorofilla e il gruppo eme, sono fondamentali per lo svolgimento delle funzioni vitali degli organismi. In particolare la clorofilla permette la fotosintesi clorofilliana nelle piante, in seguito all’assorbimento della luce che viene poi trasformata in energia chimica necessaria alla pianta. Il gruppo eme presente nell’emoglobina, permette invece la corretta ossigenazione dei vari tessuti negli organismi animali fungendo da trasportatore di ossigeno.

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Nella gif animata a lato viene mostrata la struttura dell’anello porfirinico.

L’elevata coniugazione presente in queste molecole è una delle principali caratteristiche che ne permettono l’applicazione e l’utilizzo per diversi scopi, il che ha anche portato alla preparazione di porfirine sintetiche. Esse sono ad esempio utilizzate come coloranti nel campo delle vernici, delle materie plastiche e delle fibre chimiche. Alcuni tipi di porfirine sintetiche possono anche essere utilizzate come fotosensibilizzatori nella terapia fotodinamica (PDT).

Caratteristica comune di questa classe di molecole è l’interazione con la radiazione elettromagnetica che da luogo ad interessanti fenomeni di assorbimento e fluorescenza nella regione del visibile.

Con lo spettrometro DIY, descritto nel post “Spettrometro a Reticolo con Webcam“, abbiamo effettuato una serie di misurazioni, di assorbimento e di fluorescenza, su alcune delle porfirine più interessanti.

Clorofilla

clorofilla

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La clorofilla (di qualsiasi tipo) presenta colore verde-giallastro, come visibile da una semplice cromatografia su carta. Da un punto di vista fisico, questo vuol dire che la clorofilla assorbe tutto le lunghezze d’onda dello spettro visibile tranne quelle in prossimità dei 490-590 nm.
Nel periodo autunnale la concentrazione di clorofilla nel fogliame diminuisce, quindi questo assume una colorazione bruno-rossiccia, che è data dalla presenza dei carotenoidi.

La misurazione dello spettro di assorbimento (ovvero del colore) della clorofilla viene svolta con metodiche di spettrofotometria.

La misura dell’assorbanza della luce è complicata dal solvente utilizzato per estrarre la clorofilla dalla materia vegetale, il che influenza i risultati ottenuti;

I picchi di assorbimento della clorofilla A sono a 665 nm e 465 nm. La clorofilla A diviene fluorescente a 673 nm. Il fatto che le clorofille A e B abbiano degli spettri di assorbimento differenti si traduce in un migliore assorbimento della radiazione solare per la fotosintesi clorofilliana.

La soluzione alcolica di clorofilla posta in analisi è stata ricavata dalla macerazione delle foglie di spinaci in etanolo al 95%

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Nella figura sopra : spettri di assorbimento (in trasmissione) di clorofilla disciolta in etanolo 95%
Viene trasmessa la banda del verde dai 500 ai 600nm ca. Vi sono quindi due bande di assorbimento, una sul rosso ed una sul blu. Sul rosso i minimi tra 600nm e 700nm corrispondono ai picchi di assorbimento della clorofilla A e della clorofilla B. Anche l’andamento sulla banda del blu si spiega con la somma degli assorbimenti dei due tipi di clorofille.

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Nella figura sopra : spettri di fluorecenza di clorofilla disciolta in etanolo 95%
I : Spettro di fluorescenza di Clorofilla eccitata da emissione laser a 405nm.
Picco di emissione della Clorofilla A centrato a ca 670nm con spalla  a ca 700nm e coda fino a 740nm.
II : Spettro di fluorescenza eccitato da emissione laser a 532nm.
Picco di emissione a ca 670nm della Clorofilla A.
III : Spettro di fluorescenza eccitato da emissione laser a 650nm.
Picco di emissione a ca 670nm della Clorofilla A

Emoglobina

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Emoglobina

L’ emoglobina è una proteina globulare la cui struttura quaternaria consta di quattro sub-unità. È solubile, di colore rosso (è una cromoproteina), ed è presente nei globuli rossi del sangue dei vertebrati, esclusi alcuni pesci antartici. È responsabile del trasporto dell’ossigeno molecolare da un compartimento ad alta concentrazione di O2 ai tessuti che ne hanno bisogno. Ognuno dei suoi 4 globuli proteici, detto globina, ha al suo interno una molecola di protoporfirina che coordina uno ione ferro Fe (II), posto leggermente al di fuori del piano della molecola, nell’insieme chiamata Gruppo Eme. Quando si lega all’ossigeno l’emoglobina viene chiamata ossiemoglobina, nella forma non legata deossiemoglobina.

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Spettro assorbimento (in trasmissione) della emoglobina
Si notano i picchi di assorbimento a 579nm, a 540nm e a 413nm e per λ inferiori a 390nm

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Assorbimento della emoglobina da letteratura

Ftalocianine

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La ftalocianina è un composto eterociclico la cui struttura chimica è simile a quella delle porfirine naturali e strettamente correlata a quella delle porfirazine. La molecola possiede una cavità centrale in grado di legare ioni idrogeno o cationi metallici attraverso legami molto forti fra lo ione e quattro atomi di azoto di altrettanti gruppi isoindolo. Molti elementi sono stati coordinati all’interno delle ftalocianine e come accade per le porfirine naturali, spesso sono in grado di legare altri gruppi, fungendo da molecola trasportatrice.

La ftalocianina, caratterizzata da un intenso colore verde-blu, è ampiamente utilizzata come colorante. La ftalocianina forma complessi coordinati con molto elementi della tavola periodica. Anche questi composti risultano intensamente colorati e trovano svariate applicazioni come coloranti e pigmenti.

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Spettro assorbimento (in trasmissione) della ftalocianina
Si individuano tre bande di assorbimento : λ<450nm, 620nm, 720nm

Cobalamina (Vitamina B12)

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La cobalamina (o vitamina B12) venne isolata e caratterizzata a seguito di una serie di ricerche in merito all’anemia perniciosa. Nel 1926 si scoprì che nel fegato vi è un fattore capace di curare tale patologia ed esso venne isolato e cristallizzato nel 1948. La struttura della vitamina B12 venne chiarita nel 1956.
La vitamina B12 è una sostanza di colore rosso, cristallina, igroscopica, fotosensibile e altamente solubile in acqua; la sua struttura è simile alle porfirine : è formata da un anello corrinico (composto da 4 anelli pirrolici e tre ponti metinici) con al centro un atomo di cobalto coordinato da quattro atomi di azoto. Il cobalto presenta, inoltre, due legami di coordinazione perpendicolari rispetto al piano dell’anello. Il primo di essi si stabilisce con una molecola di 5,6 dimetilbenzimidazolo legata, a sua volta, a un ribosio 3-fosfato. Il secondo legame si stabilisce con diversi gruppi (R), generando diversi tipi di molecole.

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Spettro assorbimento (in trasmissione) della cobalamina.

Protoporfirina

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Le protoporfirine sono tetrapirroli contenenti le seguenti catene laterali:
– metile
– acido propionico
– vinile
La protoporfirina IX è una porfirina particolare che sfrutta cationi metallici bivalenti, in particolare il ferro Fe++, per trasportare piccole molecole come O2. Insieme al catione Fe++ costituisce il nucleo del Gruppo eme della emoglobina, mioglobina e molti altri enzimi. Insieme con lo ione magnesio (Mg 2+) costituisce la parte principale della clorofilla. Insieme allo ione zinco (Zn 2+) forma la zinco  protoporfirina.
Il numero (ad esempio IX) indica storicamente la posizione di diverse catene laterali, ma, dato che la nomenclatura è nel frattempo cresciuta, viene utilizzato solo in misura parziale.
La protoporfirina IX è un diretto precursore dell’eme e si accumula nei pazienti che soffrono di protoporfiria eritropoietica, che è una delle malattia genetiche riguardanti la biosintesi dell’eme. Questa malattia causa una grave fotosensibilità nei confronti della luce visibile.
La sensibilità della protoporfirina IX  nei confronti della luce viene anche usata come terapia contro diverse forme di cancro (terapia fotodinamica, PDT).
Le protoporfirine vengono depositate nel guscio delle uova di alcuni uccelli sottoforma di pigmenti marroni o rossi, sia come colore uniforme che come puntinatura.
Le protoporfirine rafforzano il guscio dell’uovo, e vengono depositate laddove il guscio è più sottile a causa della penuria di calcio. La puntinatura del guscio tende quindi ad essere maggiore laddove il suolo è povero di calcio, ed anche nelle uova che vengono deposte per ultime.

La soluzione di protoporfirina posta in analisi è stata ricavata dallo scioglimento in acido cloridrico di frammenti di guscio d’uova.

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Spettro di Assorbimento e  fluorescenza della protoporfirina eccitata da emissione UV
Banda di fluorescenza a 605nm
Banda di fluorescenza a 662nm

Ematoporifirina

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Ematoporfirina. Composto porfirinico, C34H38O6N4. Si ottiene dall’emina e dall’emoglobina per azione di un acido forte. Differisce dalla protoporfirina dell’emoglobina per la presenza di due gruppi idrossietilici al posto di due gruppi vinilici. La sua importanza è soprattutto storica in quanto è stata la prima porfirina preparata per sintesi (a partire dalle emine).
Il suo ruolo biologico sembra di scarso rilievo e la sua presenza in natura non è attualmente certa.
La ematoporfirina viene utilizzata come fotosensibilizzante nella terapia fotodinamica (PDT)

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Immagine sopra : Spettro di assorbimento della ematoporfirina.
Secondo spettro con dettaglio zona UV

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Spettro di fluorescenza  della ematoporfirina eccitata da emissione UV e da laser a 532nm
Banda di fluorescenza a 620nm
Banda di fluorescenza a 682nm

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